Statistica Descrittiva
Misure di Posizione
Misure di Dispersione
Sezione di Epidemiologia e Statistica Medica
Università degli Studi di Verona
Il “dilemma” di TRILUSSA
“Me spiego: da li conti che se fanno
seconno le statistiche d'adesso
risurta che te tocca un pollo all'anno:
e, se nun entra ne le spese tue,
t'entra ne la statistica lo stesso
perché c'è un antro che ne magna due”
+ 0 /2 =
(?)
1
La Disciplina Statistica
La Statistica, attraverso misure di sintesi (indici o parametri), non ci dice solo quanti “polli mangia” in media
una popolazione, ma anche se esistono differenze
“alimentari” tra gli individui
SINTESI
INDICI di POSIZIONE
INDICI di DISPERSIONE
Misure della Variabilità del fenomeno oggetto di studio
nel collettivo di riferimento
La Sintesi Statistica
•
•
•
•
•
Una serie di dati numerici è compiutamente descritta
da tre proprietà principali:
La tendenza centrale o posizione
La dispersione o variabilità
La forma
Queste misure descrittive sintetiche, riassuntive dei
dati tabellari, sono chiamate:
statistiche, quando sono calcolate su un campione di
dati (si esprimono con lettere dell’alfabeto latino)
parametri, quando descrivono la popolazione od
universo dei dati (si esprimono con lettere
dell’alfabeto greco
2
Indici di Posizione
(measures of location or central tendency)
• MEDIA
• MODA
• MEDIANA
Indici di Dispersione
(measures of dispersion)
• CAMPO di VARIAZIONE (Range)
• DISTANZA INTERQUARTILE (Interquartile range)
• DEVIANZA
VARIANZA
DEVIAZIONE
STANDARD
• COEFFICIENTE di VARIAZIONE
Queste 3 distribuzioni differiscono per la media
(misura di posizione)
densità di probabilità
magri normopesi grassi
m = 65 Kg
s = 5 Kg
50
60
m = 75 Kg
s = 5 Kg
70
m = 85 Kg
s = 5 Kg
80
90
100
Peso (Kg)
3
Queste 3 distribuzioni differiscono per la
deviazione standard (misura di dispersione)
densità di probabilità
m = 75 Kg
s = 2,5 Kg
m = 75 Kg
s = 5 Kg
alta
variabilità
50
bassa
variabilità
m = 75 Kg
s = 10 Kg
60
70
80
90
100
Peso (Kg)
ESEMPLIFICAZIONE
Quali sono le principali MISURE di POSIZIONE nella seguente
serie numerica?
Xi
3
15
Rango assoluto
11
4
5
8
6
4
4
1 3 3 3 5 6
7
8
9
Serie ordinata (x(i)) 3 4 4 4 5 6
8
11
15
MODA, valore
più frequente
MEDIANA,
valore centrale
in una serie
ordinata
MEDIA
( åi xi / n )
= 60/9 = 6,67
4
La maggior parte delle variabili biologiche (peso, statura, glicemia) hanno
una distribuzione normale, in cui media, mediana e moda coincidono.
Alcune variabili (tempo di reazione, tempo di sopravvivenza, numero di
linfonodi metastatici, concentrazione serica di IgE) hanno una distribuzione
asimmetrica, in cui media e mediana non coincidono.
Esempio:
Negli anni Novanta in un reparto ospedaliero lavoravano 7 medici: 2
specializzandi in formazione, 2 assistenti, 2 aiuti e 1 primario. Il loro reddito
era rispettivamente pari a 2, 2, 3, 3, 4, 4 e 25 milioni di lire al mese.
Qual è la misura di posizione più adatta a descrivere quest’insieme
numerico?
media = Sx/n = 43/7 = 6,14 milioni al mese
mediana = valore della IV osservazione nella serie ordinata = 3 milioni al mese
La misura di posizione che descrive meglio il reddito di questi medici è la
mediana e non la media.
Esercizio sul calcolo della mediana
Età in anni: 39
25
18
14
69
81
1) Ordino i dati in modo crescente
14
18
25
39
42
69
81
42
2) Calcolo il rango della mediana
n=7 (dispari)
rango = (n+1)/2 = (7+1)/2 = 8/2
3) Trovo il valore della quarta osservazione
14
18
25
39
42
69
81
MEDIANA = 39 anni
5
Esercizio sul calcolo della mediana
Età in anni: 81
72
16
42
38
1) Ordino i dati in modo crescente
8
16
38
42
72
81
8
2) Calcolo il rango della mediana
n=6 (pari)
rango = n/2 = 6/2 = 3
= n/2 + 1 = 6/2 + 1 = 4
3) Faccio la media tra la terza e la quarta osservazione
8
16
38
42
72
81
MEDIANA = (38+42)/2 = 40 anni
Esempio di distribuzione bimodale (con due mode)
Muggeo M, Verlato G, …, de Marco R (1995) The Verona Diabetes Study: a population-based survey on
known diabetes mellitus prevalence and 5-year all-cause mortality. Diabetologia, 38: 318-325
6
DISTRIBUZIONE MULTI-MODALE
Anticorpi:
IgG, IgM à implicati nella
risposta immunitaria soprattutto
contro batteri e virus
IgE à implicati nelle allergie
n molecole proteiche
albumina
gamma-globuline
beta1 beta2
alfa1 alfa2
max
min
velocità elettroforetica
Moda
< Mediana
< Media
ASIMMETRIA
POSITIVA
Moda
= Mediana
= Media
-6
-5
-4
NORMALE
STD
SIMMETRICA
-3
ASIMMETRIA
NEGATIVA
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
Moda
> Mediana
> Media
7
Media
Mediana
Moda
La misura migliore con
La misura migliore quando
La misura di posizione più usata distribuzioni asimmetriche un valore ha una frequenza
(tempo di reazione, tempo di relativa elevata (numero di
sopravvivenza)
dita della mano destra)
Facile da trattare
matematicamente
Utilizza tutta l'informazione
disponibile sulle unità statistiche
(Sx/n)
E' facile calcolare un valore
ponderato:
`x = (`x1 n1 +`x2 n2) / (n1+n2)
Proprietà dell'equilibrio delle
distanze: Si(xi -`x) = 0
Proprietà del minimo delle
distanze: S|x - me| = min
Proprietà del minimo degli scarti
quadratici: Si(xi -`x)2 = min
Polli Valore di
2
mese riferimento Scarto Scarto
Los
Angeles
Totale
1
6
6
11 media
18
-5
0
5
0
25
0
25
50
Sostituisco la media con un altro numero
1
Los
6
Angeles 11
Totale 18
1
Los
6
Angeles 11
Totale 18
5
8
-4
1
6
3
16
1
36
53
-7
-2
3
-6
49
4
9
62
8
Serie aritmetica:
Numero = numero precedente + k
• 3 4 5 6 7 8
• 5 7 9 11
Serie geometrica:
Numero = numero precedente * k
•
4
8 16 32 64 128
•
6 12 24 48 96
1/2 1/4 1/8 1/16 1/32
Media geometrica
= antilog della media dei logaritmi dei dati
16
logaritmi decimali
x
8
x 1,2
x 0,8
x
x 0,4
0
0
12
x
4x
x
0,3+0,6+0,9+1,2
=0,75
4
16
x
12
0,75
x
4x
x
8
0
x
10
= 5,66
x 1,2
x
xx 0,8
x 0,4
0
9
MEDIA PONDERATA
Tempi di degenza (in giorni) per un intervento di
emorroidi in un determinato ospedale
Giorni di
degenza
1
2
3
4
5
TOTALE
Numero di
pazienti
9
15
12
9
5
50
Giorni totali
1*9 = 9
2*15 = 30
3*12 = 36
4* 9 = 36
5*5 = 25
136
MEDIA = å nx / ån = 136/50 = 2,72 giorni
MODA e MEDIANA in una distribuzione di frequenza
Giorni di
degenza
1
2
3
4
5
TOTALE
moda= 2 giorni
1
2
2
3
4
1
2
2
3
4
1
2
2
3
4
1
2
2
3
4
Numero di
pazienti
9
15
12
9
5
50
1
2
3
3
4
1
2
3
3
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Frequenza
cumulativa ass.
9
24
36
45
50
2
2
3
4
5
MEDIANA = (3 + 3) / 2 = 3 giorni
10
Misure di variabilità
Nome italiano
Nome inglese
Campo di variazione
Range
Distanza interquartile
Interquartile range
Devianza (somma di scarti quadratici)
Sum of squares (SSq)
Varianza
Mean Square (MSq)
Deviazione standard
Standard deviation
Coefficiente di variazione
Variation coefficient
Range (campo di variazione)
Range = Xmax - Xmin
(differenza tra il valore massimo e il valore minimo)
Svantaggi
• Si basa soltanto sui valori estremi della distribuzione e
non tiene conto dei valori intermedi
• Tende ad aumentare al crescere del numero delle
osservazioni
• E' molto
(outliers)
influenzato
da
osservazioni anomale
11
Range interquartile o distanza interquartile
IQR = Q3 - Q1
differenza tra il terzo quartile (75° percentile)
e il 1° quartile (25° percentile)
Osservazioni
• In questo intervallo ricade la metà dei valori, posta
esattamente al centro della distribuzione
• Non è molto influenzata da osservazioni anomale o
estreme (statistica robusta)
• E' adatta a esprimere la variabilità di distribuzioni
asimmetriche
DESCRIPTION OF A SERIES OF
GASTRIC CANCER PATIENTS
In the series of 921 patients, the total number of
dissected lymph nodes was 23,288, with an average of
25.3 ± 16.3 (mean±SD) dissected nodes per case (median
21, range 1-108). The mean number of metastatic nodes
was 4.3 ± 7.5 (median 1, range 0-74) in the overall series
and 8.3 ± 8.7 (median 5, range 1-74) in pN+ patients.
Bibliografia
De Manzoni G, Verlato G, Roviello F, Morgagni P, Di Leo A,
Saragoni L, Marrelli D, Kurihara H, Pasini F, for the Italian
Research Group for Gastric Cancer (2002) The new TNM
classification of lymph node metastasis minimizes stage migration
problems in gastric cancer patients. Brit J Cancer , 87: 171-174
12
Table 3. Allergy parameters in subjects without self-reported allergic rhinitis and in
subjects with perennial, seasonal and perennial+seasonal rhinitis. Absolute
frequencies with percentage in brackets are reported for all variables but
total IgE, which is expressed as median (interquartile range).
No rhinitis
Parental allergy
(n=745)
120/736 (16)
Pos. specific IgE
D.pteronyssinus
Cat
Timothy grass
Cl.herbarum
Pariet. judaica
56/623 (9)
17/623 (3)
57/623 (9)
3/623 (0.5)
29/623 (5)
Total IgE
Subjects with self-reported allergic rhinitis
Perennial
Seasonal
Perennial +
(n=19)
(n=50)
seasonal (n=87)
5/19 (26)
21/48 (44)
30/87 (34)
6/15 (40)
2/15 (13)
3/15 (20)
1/15 (7)
1/15 (7)
36.1 (13.2-101) 110.5 (11.6-217.5)
P
value
<0.001
7/43 (16)
4/43 (9)
26/43 (60.5)
1/43 (2)
16/43 (37)
19/70 (27)
12/70 (17)
39/70 (56)
3/70 (4)
32/70 (46)
<0.001
87 (38-214.5)
106 (50.5-240)
<0.001
--<0.001
--<0.001
Significance of differences was evaluated by chi-squared test for categorical variables and
by one-way ANOVA for total IgE after logarithmic transformation. Significance was not
evaluated by chi-squared test (---) when cells with expected value<5 exceeded 25%. NS =
not significant
Olivieri M, Verlato G, Corsico A, Lo Cascio V, Bugiani M, Marinoni A, de Marco R, for the Italian
ECRHS group (2002) Prevalence and features of allergic rhinitis in Italy. Allergy, 57:600-606
Nel primo esempio viene utilizzata come misura di
dispersione il range per descrivere una casistica nella sua
globalità.
Nel secondo esempio viene utilizzata come misura di
dispersione la distanza interquartile. In questo modo è
possibile confrontare i livelli di IgE totali fra 4 gruppi di
numerosità molto diversa: n varia da 19 nel gruppo con
rinite allergica perenne a 745 nel gruppo senza rinite.
13
Polli/mese Media Scarto Scarto 2
5
6
7
18
Oslo
Totale
Los
6
1
6
11
18
Angeles
Totale
6
-1
0
+1
0
+1
0
+1
2 ¬ devianza
-5
0
+5
0
+25
0
+25
50 ¬ devianza
Devianza = S(x -`x)
2
(o somma di scarti quadratici)
Somma dei quadrati degli scarti dei singoli valori dalla media
5
6
7
5
6
7
5
6
7
}
Devianza = 2
La devianza raddoppia
anche se la variabilità
rimane costante
}
Devianza = 4
Bisogna tener conto della
numerosità! Inventiamo la
Varianza = devianza / n
Però, con un campione di 1 soggetto che
mangia 6 polli/mese…
Media
6
Devianza Varianza non- Varianza
corretta
corretta
0
0/1 = 0
0/0 = ?
Se noi dividiamo per (n-1) anziché per n
la varianza è indeterminata, e questo dato
rispecchia molto meglio la realtà
Media
Devianza
Oslo 6 polli/mese 2 polli2/mese2
Varianza
corretta
1 polli2/mese2
L.A. 6 polli/mese 50 polli2/mese2 25 polli2/mese 2
14
Però, polli2/mese2 è una misura un po' difficile!
Inventiamo la deviazione standard!
deviazione standard = Ö varianza
Media
Varianza
corretta
Oslo 6 polli/mese 1 polli2/mese2
Deviazione
standard
1 pollo/mese
L.A. 6 polli/mese 25 polli2/mese2
5 polli/mese
Oslo: 6 ± 1 polli/mese (media ± DS)
L.A.: 6 ± 5 polli/mese (media ± DS)
Somma dei dati
x
x2 Somma dei dati
Variabilità
…
8
ciascuno elevato
al quadrato
x = 5 + 5 + 5 = 15
x2= 25+25+25= 75
6
x xx
4
2
0
8
x = 4 + 5 + 6 = 15
x2= 16+25+36 = 77
x
x
4x
6
2
8
6
4
2
x
x
x
0
x=
2 + 5 + 8=
15
x2=
4+25+64=
93
Quando aumenta la
variabilità, aumenta la
distanza tra somma
dei dati al quadrato e
somma dei dati
0
15
8
x = 5 + 5 + 5 = 15
x2= 25+25+25= 75
6
x xx
4
2
x = 4 + 5 + 6 = 15
x2= 16+25+36 = 77
x
x
4x
2
4
2
Dev.st = Ö(0/(n-1))= 0
8
6
6
Dev.st. = Ö(varianza)
Devianza = (5-5)2 + (5-5)2 +(5-5)2 = 02 + 02 + 02 = 0
Sx2 - (Sx)2/n = 75 -152/3 = 75- 225/3 = 75-75 = 0
0
8
x
Dev.st.= Ö(devianza/(n-1))
x2
Variabilità
…
x
Devianza = (4-5)2 + (5-5)2 +(6-5)2 = (-1)2 + 02 + 12 = 2
Sx2- (Sx)2/n = 77-152/3=77-225/3 = 77-75 = 2
0
x
x
x=
2 + 5 + 8=
15
x2=
4+25+64=
93
Devianza = (2-5)2 + (5-5)2 +(8-5)2 = (-3)2 + 02 + 32 = 18
Sx2- (Sx)2/n = 93 -152/3=93 - 225/3 = 93-75 = 18
0
Devianza o Somma dei Quadrati (SQ)
(Sum of Squares - SSq)
• Si tratta di un indice di dispersione con riferimento a un centro
• E’ la base delle misure di dispersione dei dati, utilizzate in tutta la
statistica parametrica.
• Da essa discendono la Varianza e la Deviazione Standard o
scarto quadratico medio (sqm)
Formula Euristica
Formula empirica
2
N
N
å (x
k =1
- x)
2
k
N
å (x k ) k =1
2
(å x )
k =1
k
N
16
A) Varianza o Quadrato Medio (QM)
(Mean Square - MSq)
• E’ una devianza media ossia la devianza rapportata al numero di
osservazioni campionarie (n) o di popolazione (N)
• Media aritmetica dei quadrati degli scarti delle singole
osservazioni dalla loro media aritmetica (media di X)
Nella popolazione
N
s =
2
å (x
Nel campione (varianza corretta!)
n
m)
-x
2
k
S2 =
k =1
N
Sigma quadrato
å (x
i =1
i
n -1
Numerosità
Osservazioni
Gradi di
Libertà (gdl)
m = 12
Campione: 9, 10, 13
X
m
X
- x )2
X
(9-12)2
(10-12)2
(13-12)2
}= 9+4+1 = 14
varianza vera = 14/3 = 4,67
X
X X
X
(9-10,67)2
(10-10,67)2
(13-10,67)2
} = 2,8+0,4+5,4= 8,7
varianza non-corretta = 8,67/3 = 2,89
varianza corretta = 8,67/2 = 4,33
17
B) Varianza
Osservazioni
• E’ adatta per distribuzioni simmetriche
• Tiene conto di tutte le osservazioni ed è dunque influenzata
da eventuali osservazioni anomale (outliers)
• Non è direttamente confrontabile con la media o altri indici
di posizione in quanto le unità di misura sono elevate al
quadrato (valore teorico)
• I gradi di libertà (degrees of freedom - df) rappresentano il
numero di osservazioni indipendenti del campione (n -1), dal
momento che sui dati disponibili è già stata calcolata una
statistica (x medio)
A) Deviazione Standard (DS) o
(Scarto Quadratico Medio)
(Standard Deviation - SD)
• Radice quadrata della Varianza
Nel campione
N
å (x
k =1
k
- x )2
n-1
18
B) Deviazione Standard
Osservazioni
• E’ una misura di distanza dalla media e quindi ha sempre un
valore positivo. E' una misura della dispersione della
variabile casuale intorno alla media
• E’ direttamente confrontabile con le misure di posizione,
essendo calcolata con la stessa unità di misura
• E’ di gran lunga più utilizzata della varianza (che ha un
forte valore teorico) nelle pubblicazioni scientifiche per la
sua “praticità d’uso” e immediata confrontabilità con la
media
ESERCIZIO
totale
xi
3
5
6
7
9
30
xi2
9
25
36 `x = 30/5 =6
49
81
200
xi -`x
3-6= -3
5-6= -1
6-6= 0
7-6= +1
9-6= +3
0
(xi -`x)2
9
1
0
1
9
20
Devianza = S(x -`x)2 = 20
oppure
Devianza = Sx – (Sx)2/n = 200 – 302/5 =
= 200 – 900/5 = 200 – 180 = 20
2
Varianza = devianza/(n-1) = 20/(5-1) =
20/4 = 5
Deviazione standard = Ö5 = 2,24
6 ± 2,24 (media ± DS)
19
Distribuzione
SIMMETRICA
-6
-5
-4
-3
Si utilizza la media e la
deviazione standard
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
Si utilizza la mediana e
il range interquartile
Distribuzione
ASIMMETRICA
Coefficiente di variazione (CV) - 1
Due gruppi con valori medi molto distanti
Tre neonati pesano rispettivamente 3, 4 e 5 Kg (media ± DS: 4 ± 1 Kg).
Tre bambini di 1 anno pesano 10, 11 e 12 Kg (media ± DS: 11 ± 1 Kg).
La deviazione standard è uguale nei due gruppi, ma il buon senso suggerisce
che la variabilità del peso sia maggiore nei neonati.
Due variabili diverse
In 91 ragazze matricole di Medicina a Verona nell’a.a. 95/96,
il peso era pari a 55,1 ± 5,7 Kg (media ± DS) con un range di 45-70 Kg,
la statura era 166,1 ± 6,1 cm (media±DS) con un range di 150-182 cm.
E’ maggiore la variabilità del peso o la variabilità della statura?
20
Coefficiente di variazione (CV) - 2
Per rispondere a queste domande è necessario calcolare il coefficiente di
variazione: CV = (deviazione standard / media) * 100. La deviazione standard
viene cioè espressa in percentuale della media.
Media
Dev. standard
CV
Neonati
4 Kg
1 Kg
25 %
Bambini 1 anno
11 Kg
1 Kg
9,1 %
La variabilità del peso è maggiore nei neonati.
Media
Dev. standard
CV
Peso
55,1 Kg
5,7 Kg
10,3 %
Statura
166,1 cm
6,1 cm
3,7 %
La variabilità del peso è maggiore della variabilità della statura.
Misure di Forma
Misure di Simmetria
1) Coefficiente interquartilico di asimmetria = (Q3-Q2) - (Q2-Q1)
dove Q3, Q2, Q1 =75esimo, 50esimo e 25esimo percentile
Ad esempio, nelle matricole di Medicina di Verona nell’a.a. 95/96 il
coefficiente interquartilico di asimmetria vale:
(174,5-169)-(169-164) = 5,5-5 = 0,5 cm
Il coefficiente rileva una lieve asimmetria positiva.
2) Indice di simmetria (skewness) di Pearson = (media - moda) / dev.st.
Misure di Appiattimento (o Curtosi)
1) Indice di Curtosi = [S(x -x)4/n] / [S(x -x)2/n]2
21
densità di probabilità
curva ipernormale o
lepticurtica (curtosi > 3)
curva iponormale o
platicurtica (curtosi < 3)
curva normale
curtosi = 3
22
